電動(dòng)沖箱式造波機(jī)的研制

電動(dòng)沖箱式造波機(jī)的研制

首先，設(shè)計(jì)和建造軍艦和海上建設(shè)項(xiàng)目的首先需要在實(shí)驗(yàn)池中進(jìn)行耐波性和適應(yīng)性驗(yàn)證。波機(jī)是與實(shí)驗(yàn)池相連的重要設(shè)備。新造波機(jī)可以在實(shí)驗(yàn)池中產(chǎn)生不同的波長(zhǎng)和高波，以滿足船舶性能研究和實(shí)驗(yàn)的需要。結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，占地面積小。它的工作是可靠的。它可以生成各種波譜波，正確模擬不同的海況。保護(hù)和監(jiān)控的功能完善，控制軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)管理方便。1組成和工作原則1.1沖箱式造波機(jī)電動(dòng)式國(guó)內(nèi)外造波機(jī)的造波方式主要有搖板式、沖箱式、活塞式、轉(zhuǎn)筒式和氣動(dòng)式等,其基本機(jī)理都是通過造波部件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)水體施加擾動(dòng)產(chǎn)生波浪.其中用得較多的是搖板式和沖箱式,沖箱式造波機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能優(yōu)越,能生成各種波譜,且適合本實(shí)驗(yàn)水池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).造波機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng).它們各有優(yōu)缺點(diǎn),使用范圍亦各不相同.其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式(即電動(dòng)式)啟動(dòng)容易,控制性能好,快速響應(yīng)能力強(qiáng)且無(wú)污染,與其他驅(qū)動(dòng)方式相比,在高速、高精度、小型節(jié)能方面更能滿足使用要求.新型造波機(jī)采用了電動(dòng)沖箱式結(jié)構(gòu),圖1為該造波機(jī)系統(tǒng)示意圖.它主要由6套伺服電機(jī)和控制器及電動(dòng)缸、6臺(tái)沖箱、控制臺(tái)(含工控機(jī))、主電路、控制電路和軟件系統(tǒng)以及機(jī)械部分等組成.1.2自動(dòng)空氣濾波器伺服電機(jī)是造波運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力設(shè)備.型號(hào)為MHMA302A1G,使用交流三相200V電源,額定功率3kW,額定轉(zhuǎn)速2000r/min.在控制臺(tái)上控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止,并設(shè)計(jì)有相應(yīng)的指示燈,便于觀察系統(tǒng)的工作狀態(tài).在主電路供電系統(tǒng)中,交流三相380V電源經(jīng)380V/200V變壓器降壓后再供電給伺服電機(jī).每臺(tái)變壓器和電機(jī)均設(shè)計(jì)安裝有自動(dòng)空氣斷路器Q,它們既用作主電路電源開關(guān),又用來(lái)對(duì)變壓器和電機(jī)進(jìn)行過載、短路保護(hù).沖箱是造波機(jī)造波的執(zhí)行部件,其結(jié)構(gòu)、外型、材料均有特殊要求.沖箱的結(jié)構(gòu)既要有足夠的強(qiáng)度和剛度,又要盡可能輕,以減少運(yùn)動(dòng)慣量,降低能耗,采用δ=4mm的玻璃鋼加工成內(nèi)部為空心、外部為特殊形狀的加筋柱體.其上面中間位置與電動(dòng)缸剛性連接,兩端設(shè)計(jì)有兩根導(dǎo)向桿及機(jī)械裝置,以確保沖箱運(yùn)行穩(wěn)定可靠.1.3系統(tǒng)的控制特點(diǎn)控制系統(tǒng)是造波機(jī)的中樞,關(guān)系到整個(gè)裝置能否正常運(yùn)行,能否造出符合要求的波浪.作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)核心部件的計(jì)算機(jī)更應(yīng)配置得當(dāng).為此,本系統(tǒng)選用了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC),它具有實(shí)時(shí)性好,可靠性高,輸入輸出能力和網(wǎng)絡(luò)支持能力強(qiáng)等普通計(jì)算機(jī)不可比擬的優(yōu)點(diǎn).并根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要,配置了兩塊PCL-839控制卡.PCL-839是一種3軸高速伺服電機(jī)控制卡,它有3路獨(dú)立的脈沖發(fā)生器,輸出的脈沖(PULSE)信號(hào)和方向(DIR)信號(hào)能控制3臺(tái)伺服電機(jī)運(yùn)行;有5路限位輸入開關(guān)用于對(duì)輸出信號(hào)的控制.根據(jù)本控制系統(tǒng)的需要,選用了3路輸入信號(hào)(ORG,EL+和EL-)和2路輸出信號(hào)(DIR,PULSE)(參見圖2),用于對(duì)造波機(jī)系統(tǒng)的控制.圖2給出了一臺(tái)伺服電機(jī)的控制電路圖.圖中工控機(jī)輸出的脈沖PULSE和方向DIR信號(hào)送到伺服電機(jī)控制器,控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向和行程,控制電源為+15V.沖箱正、反向運(yùn)動(dòng)的最大沖程設(shè)定為200mm,通過位置傳感器設(shè)定沖箱運(yùn)動(dòng)的原點(diǎn)ORG,每臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)沖箱在+200mm~-200mm范圍內(nèi)作正、反向往復(fù)運(yùn)動(dòng).為了避免沖箱的運(yùn)動(dòng)超過規(guī)定沖程,造成機(jī)械損傷,在沖箱裝置的頂端和底端各設(shè)置有一個(gè)常開型限位開關(guān),用來(lái)禁止沖箱運(yùn)動(dòng)超出限制范圍.當(dāng)沖箱沖程超出+200mm或-200mm時(shí),限位開關(guān)1或限位開關(guān)2閉合,接通+15V電源,應(yīng)急停止限位EL+或EL-信號(hào)輸入到工控機(jī),工控機(jī)立即禁止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出,伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),使系統(tǒng)得到保護(hù).在控制電路中,由限位開關(guān)和位置傳感器輸入的信號(hào)通過限流電阻經(jīng)光耦隔離后再輸入到工控機(jī)內(nèi)部電路,工控機(jī)的輸出信號(hào)亦是經(jīng)光耦隔離后再送到外部電路(伺服電機(jī)控制器).這種在I/O電路中采用光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)是工控機(jī)系統(tǒng)與外部電路之間的電磁兼容性好.即采用光電耦合器將工控機(jī)控制系統(tǒng)與外部電路之間隔離成兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng),I/O信號(hào)在它們之間僅通過光來(lái)傳遞,避免了外部電路對(duì)工控機(jī)系統(tǒng)的干擾,保證了工控機(jī)控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性,同時(shí)也可避免工控機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)外部電路的影響,有效地消除了相互之間的電磁干擾.要支持硬件正常工作,必須有相應(yīng)的軟件控制,使之既能給出恰當(dāng)?shù)脑觳?qū)動(dòng)信號(hào),又能給用戶提供一個(gè)友好、方便的界面,使用戶易于操作和觀察及分析系統(tǒng)運(yùn)行情況.針對(duì)本系統(tǒng)的控制特點(diǎn),采用了Windows98操作系統(tǒng),編程語(yǔ)言為VisualC++6.0.該造波機(jī)在軟件系統(tǒng)的控制下,通過位置傳感器可將6臺(tái)沖箱調(diào)整在同一水平位置,每臺(tái)伺服電機(jī)經(jīng)電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)沖箱在4m水深的水池中作上、下同步往復(fù)運(yùn)動(dòng),水的質(zhì)點(diǎn)因受到?jīng)_箱弧面的沖擊而離開其平衡位置,作為恢復(fù)力的重力又使質(zhì)點(diǎn)回到平衡位置,但由于慣性,質(zhì)點(diǎn)在回到平衡位置時(shí)將繼續(xù)朝前運(yùn)動(dòng),這樣恢復(fù)力矩又將發(fā)揮作用,因此,水的質(zhì)點(diǎn)將反復(fù)振蕩,在自由水面上形成波浪.沖箱往復(fù)一次,產(chǎn)生一個(gè)波浪,產(chǎn)生一個(gè)波浪的時(shí)間就是波浪的周期T.沖箱在某一往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期T和某一水深H下,沖程愈大,速度愈高,波峰就愈高.但至某一極限值時(shí),沖箱即將水沖成水花.由此可知,波高由沖箱的沖程控制,波長(zhǎng)由頻率確定.沖箱的運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)伺服系統(tǒng)來(lái)控制,從而造出各種波浪.2相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)的模擬電動(dòng)沖箱式造波機(jī)在長(zhǎng)L=175m,寬B=6m,深H=4m的實(shí)驗(yàn)水池中進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)、重復(fù)性試驗(yàn)和最大波高試驗(yàn),分別測(cè)量了波長(zhǎng)λ=1m,2m,3m,4m,5m,6m,7m,8m,9m(對(duì)應(yīng)周期T=0.80s,1.13s,1.38s,1.60s,1.78s,1.96s,2.12s,2.26s,2.40s)的波高值,該造波機(jī)在同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下,沖箱運(yùn)動(dòng)周期和幅度在連續(xù)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定,穩(wěn)定性誤差小于1.5%;用同一控制信號(hào)在不同時(shí)間啟動(dòng)造波機(jī)時(shí),各次造出的波浪具有良好的相同性,重復(fù)性誤差小于1%;波高調(diào)節(jié)范圍為0.06m~0.23m,波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍為1m~9m,在各